專利名稱：一種光催化流化床凈化有機(jī)污染物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用光催化流化床反應(yīng)器凈化有機(jī)污染物特別是凈化廢水廢氣的方法。
有機(jī)污染已成為最普遍的環(huán)境污染問題之一。水體中有機(jī)污染物如多環(huán)芳烴、有機(jī)農(nóng)藥等難于生物降解、難于化學(xué)氧化分解，具有生物累積性和“三致”作用，嚴(yán)重威脅生態(tài)系統(tǒng)的安全性，甚至威脅飲用水的安全性，污染食物鏈。在環(huán)境有害氣體方面，室內(nèi)有害氣體如裝飾材料等放出的甲醛以及生活環(huán)境中產(chǎn)生的甲硫醇等揮發(fā)性有機(jī)物與硫化氫、氨氣等揮發(fā)性無機(jī)物，很少量即能使人產(chǎn)生不適感；大氣污染氣體有來自汽車尾氣與工業(yè)廢氣的氮氧化物和硫氧化物以及一些工業(yè)生產(chǎn)中排放的有毒有害揮發(fā)性有機(jī)氣體。目前所采用的諸如物理、化學(xué)、生物、電、磁等方法均無法經(jīng)濟(jì)有效地處理這些有機(jī)污染物。
半導(dǎo)體多相光催化分解有機(jī)污染物是近年來污染治理新技術(shù)的熱點(diǎn)。在適宜的條件下，光催化能無選擇性地將難以化學(xué)氧化分解的有機(jī)物徹底礦化為CO2、水和無機(jī)酸，在難降解有毒有機(jī)污染治理中已顯示其良好的應(yīng)用前景。1983年，Ollis明確提出采用半導(dǎo)體光催化降解有機(jī)物作為水處理方法。從此，光催化廢水處理的研究得到了迅猛發(fā)展。如中國發(fā)明專利1050532公開了光催化處理酚醛廢水的方法，既為懸浮體系，將光催化劑分散于廢水體系中，能夠充分發(fā)揮催化劑的光催化活性，但催化劑粉末粒徑太小，不易回收光催化劑；但是從經(jīng)濟(jì)與環(huán)保角度來考慮，光催化廢水處理應(yīng)用時(shí)光催化劑的有效回收十分重要。中國發(fā)明專利1102402公開了光催化劑的固定方法，它們將二氧化鈦固定在無機(jī)礦物上。但在解決催化劑回收問題的同時(shí)，產(chǎn)生了另外一個(gè)問題光催化效率大為降低。中國發(fā)明專利1245147公開了一個(gè)光催化廢水處理系統(tǒng)，采用一個(gè)粘土回收器，操作不便，也沒有同時(shí)解決上述兩個(gè)問題。
在光催化空氣凈化方面，可以將光催化劑固定在建材、路面、瓷片、外墻、內(nèi)墻等基體上，利用太陽光和室內(nèi)照明光，通過光催化作用產(chǎn)生的強(qiáng)氧化分解作用，使吸附在其表面的污染物物分解，從而達(dá)到空氣凈化的目的。光催化在清潔空氣方面的應(yīng)用避免了光催化劑的回收難題。我國在光催化空氣凈化方面申報(bào)的發(fā)明專利與實(shí)用新型專利已有多項(xiàng)。美國宇宙航空技術(shù)股份有限公司申請(qǐng)的發(fā)明專利(96197457.5)光催化空氣消毒提供了一個(gè)整幢大樓的空氣凈化方案，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以在小空間應(yīng)用。中國專利98216682.2提供了一種臭氧光催化空氣凈化器的設(shè)計(jì)方法，臭氧起強(qiáng)化光催化氧化的作用，但是臭氧也是一種空氣污染物，當(dāng)空氣中臭氧濃度超過一定限度時(shí)，對(duì)人體產(chǎn)生強(qiáng)烈刺激，產(chǎn)生二次污染。并且，光催化在汽車尾氣處理與工廠有機(jī)廢氣處理上的應(yīng)用極少涉及。
本發(fā)明的目的是采用光催化流化床反應(yīng)器形式，以克服以往光催化凈化有機(jī)廢水與有機(jī)廢氣時(shí)催化效率與光催化反應(yīng)速率不高，以及光催化劑分離回收困難、催化劑成本較高的缺點(diǎn)；既保持了懸浮體系的較高催化速率，又解決了催化劑回收難的問題。
本發(fā)明所提供的光催化流行床凈化方法包括廢水處理方法與廢氣處理方法。光催化流化床廢水處理方法提供一種能夠?qū)﹄y降解有毒有機(jī)廢水進(jìn)行連續(xù)處理，能夠高效地分解有機(jī)物，無需進(jìn)行催化劑分離回收的方法。這種方法使得光催化處理有機(jī)廢水，特別是生物難降解有毒有機(jī)廢水，與化工廢水、農(nóng)藥廢水等(本發(fā)明統(tǒng)稱為有機(jī)廢水)的工業(yè)化應(yīng)用變得可行、低運(yùn)行費(fèi)用、催化劑可多次重復(fù)使用。
本發(fā)明的光催化流化床廢水處理方法包括凈化過程和催化劑使用有機(jī)廢水經(jīng)過預(yù)處理，去掉固體懸浮物之后，進(jìn)入光催化流化床反應(yīng)器，光催化反應(yīng)器中光催化劑的加入劑量為光催化流化床反應(yīng)器中廢水重量的0.1％-5.0％，較好為0.5％-2.0％；由一個(gè)充氣裝置向廢水中鼓氣，負(fù)載在載體上的光催化劑在氣體的作用下處于流動(dòng)狀態(tài)，與光催化懸漿體系相似。光催化載體粒徑較大，不會(huì)從反應(yīng)器上端的出水口流失。光催化流化床反應(yīng)器既可以由單個(gè)組成，也可以由多個(gè)串連起來。從光催化反應(yīng)器流出的廢水進(jìn)入一個(gè)調(diào)節(jié)池，廢水可以回流重新進(jìn)行光催化處理，也可以進(jìn)一步進(jìn)行生物化學(xué)處理。
本發(fā)明凈化廢水所用的光催化劑是負(fù)載型半導(dǎo)體光催化劑，其特征是負(fù)載型半導(dǎo)體光催化劑能在壓縮空氣鼓泡下均勻分散并懸浮在水介質(zhì)中，又能夠通過重力沉降與水相良好分離。半導(dǎo)體光催化劑為二氧化鈦、氧化鋅、二氧化錫等，但由于二氧化鈦廉價(jià)易得、無毒、具有化學(xué)與生物惰性，二氧化鈦為優(yōu)選半導(dǎo)體光催化劑。也可以是改性二氧化鈦。光催化劑的載體可以是硅膠、氧化鋁、分子篩、活性碳顆粒、聚苯乙烯球等，其顆粒直徑可為0.1微米-200微米，但較好為5微米-50微米，載體的密度可為0.8克/立方厘米-2.0克/立方厘米，較好為1.0克/立方厘米-1.5克/立方厘米。用于廢水處理的載體優(yōu)選硅膠與聚苯乙烯球。負(fù)載型半導(dǎo)體光催化劑中光催化劑的重量百分比可為0.1％-50％，但較好為5％-15％。
光催化流化床反應(yīng)器可以采用多個(gè)串連起來，提高光催化效率。光源可以是太陽光，也可以是人造光源。反應(yīng)器中的負(fù)載型半導(dǎo)體光催化劑以顆粒狀態(tài)懸浮在水介質(zhì)中，通過空氣鼓泡來實(shí)現(xiàn)有機(jī)物吸附在光催化劑的表面?？諝饧瓤梢詫?duì)光催化劑與廢水進(jìn)行攪拌，強(qiáng)化傳質(zhì)、散熱，也可以提供氧氣。
本發(fā)明的光催化流化床廢水處理方法可用于化工廠、農(nóng)藥廠、染料廠等排出的廢水的處理，也可以用于給水處理。優(yōu)選用于水量較小的難降解有毒有機(jī)廢水。
本發(fā)明的光催化流化床廢氣處理方法提供一種能夠進(jìn)行連續(xù)處理揮發(fā)性有機(jī)廢氣(如揮發(fā)性有機(jī)酸、酚、醛等)、揮發(fā)性無機(jī)廢氣(如氨氣、氮氧化物、硫氧化物)、臭味物質(zhì)(如硫醇)，能夠高效地分解有機(jī)氣體，無需進(jìn)行催化劑分離回收的方法。這種方法使得光催化處理工廠廢氣的工業(yè)化應(yīng)用變得可行、低運(yùn)行費(fèi)用、催化劑可多次重復(fù)使用。
本發(fā)明的光催化流化床廢氣處理方法可以包括如下凈化過程和催化劑使用有機(jī)廢氣經(jīng)過過濾、電除塵預(yù)處理，去掉顆粒物質(zhì)之后，有機(jī)廢氣進(jìn)入光催化流化床反應(yīng)器，微顆粒型光催化劑或負(fù)載在載體上的光催化劑在氣體的作用下處于流動(dòng)狀態(tài)或振動(dòng)狀態(tài)。光催化流化床反應(yīng)器既可以由單個(gè)組成，也可以由多個(gè)串連起來。
本發(fā)明凈化廢氣所用的微顆粒型光催化劑是指粒徑為0.5微米-10微米的二氧化鈦、氧化鋅、二氧化錫等半導(dǎo)體或復(fù)合半導(dǎo)體。優(yōu)選粒徑為2微米-5微米。負(fù)載型半導(dǎo)體光催化劑是指半導(dǎo)體光催化劑負(fù)載在載體上制成的催化劑材料。半導(dǎo)體光催化劑為二氧化鈦、氧化鋅、二氧化錫等，但由于二氧化鈦廉價(jià)易得、無毒、具有化學(xué)與生物惰性，二氧化鈦為優(yōu)選半導(dǎo)體光催化劑。也可以是改性二氧化鈦。光催化劑的載體可以是硅膠、氧化鋁、分子篩、活性碳顆粒、聚苯乙烯球等，其顆粒直徑可為0.1微米-2毫米，但較好為100微米-1.0毫米，載體的密度可為0.5克/立方厘米-2.0克/立方厘米，較好為0.8克/立方厘米-1.2克/立方厘米。用于廢氣處理的載體優(yōu)選分子篩與活性碳顆粒。負(fù)載型半導(dǎo)體光催化劑中光催化劑的重量百分比可為0.1％-50％，但較好為10％-20％。光催化反應(yīng)器中光催化劑的加入劑量為光催化流化床反應(yīng)器中體積的50％-90％，較好為75％-80％；本發(fā)明所指的光催化流化床反應(yīng)器可以采用多個(gè)串連起來，提高光催化效率。光源為人造光源，處于反應(yīng)器的中心。反應(yīng)器中的光催化劑以顆粒狀態(tài)振動(dòng)或流動(dòng)，當(dāng)廢氣流經(jīng)反應(yīng)器時(shí)，污染物吸附在光催化劑的表面。
本發(fā)明的光催化流化床廢氣處理方法可用于工廠排出的廢氣的處理，也可以用于工廠車間空氣的凈化。
附

圖1光催化流化床廢水凈化方法示意圖；附圖2光催化流化床廢氣凈化方法示意圖；1-預(yù)處理； 1-過濾；2-調(diào)節(jié)池； 2-電除塵；3-光催化流化床反應(yīng)器I； 3-光催化流化床反應(yīng)器I；4-光催化流化床反應(yīng)器II；4-光催化流化床反應(yīng)器II；5-光催化流化床反應(yīng)器III； 5-光催化流化床反應(yīng)器III；6-排空
權(quán)利要求
1.一種光催化流化床凈化有機(jī)污染物的方法，其特征在于采用光催化流化床反應(yīng)器凈化有機(jī)污染的廢水或廢氣是連續(xù)進(jìn)行處理，不需要進(jìn)行催化劑分離回收，催化劑可重復(fù)使用，該方法包括凈化廢水和廢氣的方法(1)廢水凈化方法包括凈化過程和催化劑的使用A.有機(jī)廢水經(jīng)過預(yù)處理，進(jìn)入光催化流化床反應(yīng)器，設(shè)有一個(gè)向廢水中鼓氣的充氣裝置，從光催化反應(yīng)器流出的廢水進(jìn)入調(diào)節(jié)池后，廢水可重新進(jìn)入光催化處理系統(tǒng)凈化，或排放出水；B.光催化反應(yīng)器中光催化劑的加入劑量為光催化劑流化床反應(yīng)器中廢水重量的0.1％-5.0％，凈化廢水所用的催化劑是負(fù)載型半導(dǎo)體光催化劑，該催化劑為二氧化鈦、氧化鋅、二氧化錫、光催化劑的載體為硅膠、氧化鋁、分子篩，活性碳顆?；蚓郾揭蚁┣?，載體顆粒直徑為0.1微米-200微米，密度為0.8克/立方厘米-2.0克/立方厘米，負(fù)載型半導(dǎo)休光催化劑中光催化劑的重量百分比為0.1％-50％，光催化劑的光源可為太陽光可人造光源；(2)廢氣凈化方法包括凈化過程和催化劑的使用A.有機(jī)廢氣經(jīng)過濾、電除塵預(yù)處理后進(jìn)入光催化流化床反應(yīng)器，排出流化床的氣體達(dá)標(biāo)排空；B.凈化氣體所用催化劑為微顆粒型光催化劑其粒徑為0.5微米-10微米，由二氧化鈦，氧化鋅、二氧化錫半導(dǎo)體或復(fù)合半導(dǎo)體構(gòu)成，催化劑載體為硅膠、氧化鋁、分子篩，活性碳顆?；蚓郾揭蚁┣?，其顆粒直徑0.1微米-2微米，載體密度為0.5克/立方厘米-2.0克/立方厘米，光催化劑中光催化劑的重量百分比為0.1％-50％，光催化劑加入光催化反應(yīng)器中的劑量為流化床反應(yīng)器中體積的50％-90％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述的光催化流化床反應(yīng)器由單個(gè)或多個(gè)串聯(lián)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述的廢水凈化方法光催化反應(yīng)器中光催化劑的加入劑量為催化流化床反應(yīng)器中廢水重量的0.5％-2.0％，負(fù)載型半導(dǎo)體催化劑為二氧化鈦，或改性二氧化鈦，該催化劑中光催化劑的重量百分比為5％-15％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述的廢水凈化方法，光催化劑載體為硅膠或聚苯乙烯球，其顆粒直徑5微米-50微米，載體密度為1.0克/立方厘米-1.5克/立方厘米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述的廢氣凈化方法，微顆粒型光催化劑為二氧化鈦，或改性二氧化鈦，其顆粒直徑2微米-5微米，光催化劑中光催化劑的重量百分比為75％-80％，光催化劑光源為人造光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述的廢氣凈化方法，光催化劑載體為分子篩或活性碳顆粒，其顆粒直徑為100微米-1.0毫米，載體密度為0.8克/立方厘米-1.2克/立方厘米。
全文摘要
本發(fā)明涉及采用光催化流化床反應(yīng)器凈化有機(jī)污染物特別是凈化廢水和廢氣的方法。半導(dǎo)體多相光催化分解的有機(jī)污染物是近年來污染治理新技術(shù)的熱點(diǎn)，本發(fā)明采用光催化流化床反應(yīng)器形式，克服光催化劑凈化有機(jī)廢水和廢氣時(shí)催化劑效率和光催化反應(yīng)速率不高以及光催化劑分離回收困難，催化劑成本較高的缺點(diǎn)，該方法適用于化工廠農(nóng)藥廠、染料廠、排出的廢水處理，尤其適用于水量較小的難降解有毒有機(jī)廢水的處理，還可以處理工廠排出的廢氣，凈化工廠車間空氣。
文檔編號(hào)C02F1/30GK1421396SQ01129979
公開日2003年6月4日 申請(qǐng)日期2001年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月28日
發(fā)明者李新軍, 王良焱, 李芳柏 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院廣州能源研究所